Den grundläggande energin kommer från solen. Cirkulationen i atmosfären och i haven fördelar energin över jorden beroende på topografins utseende. Ytterligare en faktor som påverkar klimatet är mänsklig aktivitet.
Klimatförändringar orsakade av människan.
Strålning från solen
Inkommande solstrålning
Energin från solen är den grundläggande faktorn för klimatet. Alla kroppar (fasta, flytande och gasformiga) som har en temperatur över den absoluta nollpunkten skickar ut strålning. Ju högre temperaturen är desto mer kortvågig strålning skickas ut.
Strålningen från solen är kortvågig, det vill säga mindre än 4 mikrometer. Solstrålningen som når markytan på en viss punkt på jorden varierar över dagen och under året. Därmed påverkas den dagliga och årliga cykeln för många klimatvariabler. Den mest självklara är temperaturen och dess variation.
Utgående strålning
En del av strålningen från solen reflekteras tillbaka ut i rymden då den träffar markytan, framför allt ljusa ytor så som ljusa moln eller snö och is på marken. En annan del av energin från solen absorberas av jordytan, moln och atmosfären. Därmed sker en uppvärmning. Solenergin som absorberats av havs- eller jordytan värmer upp luften närmst ytan eller bidra till avdunstning av vatten.
En del av energin sänds ut som strålning. Vid de temperaturer som normalt råder på jorden kommer merparten av strålningen att vara av våglängder mellan 4 till 100 mikrometer vilket betraktas som långvågig strålning.
Strålningsbalansen
Energin per ytenhet som faller in mot jordytan från solen beror starkt på latituden. Något förenklat så blir det mycket energi nära ekvatorn och mindre mot polerna. Den utgående långvågiga strålningen är däremot bara svagt beroende av latituden.
Det uppstår därför ett överskott av energi nära ekvatorn och ett underskott i polarområdena. Detta medför att temperaturen är högre i tropikerna än i polartrakterna. Temperaturskillnaden skulle bli ännu större om det inte fanns processer som effektivt förflyttar energi.
Växthusgaser
Atmosfären kan tyckas genomskinlig för strålning, men den strålning vi inte ser med blotta ögat absorberas till stora delar. Framförallt är det de så kallade växthusgaserna som absorberar långvågig strålning.
Den infångade energin ger upphov till en temperaturökning i luften. Varm luft sänder ut mer strålning än kall. Mängden av dessa gaser och hur de är fördelade i höjdled påverkar klimatet. De mest betydande växthusgaserna är vattenånga, koldioxid, metan och dikväveoxid. Men även ozon och halogenerade kolväten är viktiga.
En stor del av den mänskliga påverkan på klimatet sker genom utsläpp av växthusgaser.
Aerosoler
Även partiklar i luften (aerosoler) påverkar strålningsbalansen. Solstrålningen både sprids och absorberas av aerosoler. Om en större mängd aerosoler finns i atmosfären minskar solstrålningen vid jordytan märkbart, vilket medför en temperaturminskning vid jordytan.
Det finns olika källor till aerosoler. Mekaniskt (vind) uppvirvlat stoft från öknar är en betydande källa. Vind och vågor över världshaven för upp små droppar av saltvatten i luften. Vattnet i dropparna avdunstar och kvar blir saltpartiklar.
Bränder bildar gaser och sotpartiklar. De kan vara naturliga eller antropogena (skapade av människan). Det finns också biologiska källor till aerosoler vilka kan vara pollen, delar av blad och insekter som märkbart påverkar solstrålningen. Här kan du läsa mer om antropogena aerosoler.
En av de mest spektakulära källorna till klimatpåverkande aerosoler är explosiva vulkanutbrott, som skjuter upp stoft och svaveldioxid i stratosfären. Två exempel på detta är vulkanutbrotten El Chichon 1982 och Pinatubo 1991.
Kan vulkanutbrott påverka klimatet?
Partiklars klimateffekter är komplexa och är därmed inte lika väl kända i jämförelse med växthusgaserna. Partiklars klimateffekter varierar också från avkylande effekt (sulfatpartiklar reflekterar bort solstrålning) till uppvärmande effekt (sotpartiklar absorberar solstrålning vilket värmer upp luften). Aerosolernas variation i tiden liksom deras utbredning i horisontell och i vertikal ledd är också viktig för vilken effekt de har på klimatet.
Moln
Molnen är idag en av de mest problematiska faktorerna när atmosfärens fysik ska beskrivas. Observationer av moln har gjorts sedan länge men är ofta mest av kvalitativ natur. Molnen är tredimensionella och varierar snabbt i tiden. Moln kan bestå av vatten och/eller ispartiklar.
Mängd och höjdfördelning har studerats med hjälp av satelliter och markbaserade observationer under några decennier. Däremot finns det bara stickprov av antal och storleksfördelningen av molndroppar. När moln beskrivs i klimatmodeller måste alla aspekter av fördelning och tillstånd finnas med.
Cirkulation
Vindar
Den från solen inkommande energin tränger till stor del igenom atmosfären och absorberas i jordytan. Den uppvärmda jordytan värmer i sin tur atmosfären eller används till att avdunsta vatten.
I huvudsak sker det en kraftig uppvärmning av jorden på lägre breddgrader. Denna överskottsenergi transporteras mot högre breddgrader av havsströmmar och vindar.
Dessa flöden av energi kan beskrivas med fysikens lagar. Emellertid är systemet mycket komplext. Var på jorden molnen uppträder och var nederbörd faller ut är ju en del av vårt lokala klimat.
Havsströmmar
På samma sätt som atmosfärens cirkulation påverkar klimatet på en viss plats så gör havsströmmarna det. Mest påtagligt inflytande i Sverige har naturligtvis Golfströmmen och dess nordliga utlöpare den Nordatlantiska strömmen. Utan denna värmetransport skulle vi ha kallare vintrar i Europa.
Djupvattenbildning
Solen värmer de översta skikten i havet. Oceanernas ytströmmar drivs av vindarna och är därför intimt kopplade till atmosfärens cirkulation. Oceanerna har ett medeldjup på runt 4000 meter. I djupet råder mörker och kyla. Men även här finns det havsströmmar. De drivs av olikheter i salthalt och temperatur (termohalin cirkulation).
Ytvattnet är naturligtvis varmast i tropikerna och kallast i ishaven. Mer okänt är att temperaturen under de solbelysta och uppvärmda översta skiktet med en mäktighet av 500-1000 m bara är 1-4 grader. Medeltemperaturen i oceanerna är alltså låg.
Eftersom varmt vatten är lättare än kallt ligger det soluppvärmda ytvattnet som ett lock på djupvattnet. Detta skulle hindra att syrerikt ytvatten når djupet och aerobt liv (syreberoende processer och organismer) skulle inte finnas där.
Emellertid finns det ett rikt djurliv och därför måste det finnas en transport av ytvatten till havets djupare delar. Den viktiga process som utför detta kallas på engelska "the conveyer belt". Om man skissar på strömningen ser det ut som ett jättelikt transportband som ringlar sig runt världshaven.
Topografi
Höjd över havet
Klimatet i en region kan variera snabbt över korta geografiska avstånd om höjden ändras. Exempel på detta är klimatet i och kring Alperna eller i de svenska fjällen. På hög höjd finns det glaciärer medan man på lägre höjd har skogar och åkrar. Detta speglar att temperaturen i atmosfären i genomsnitt avtar med höjden.
Avstånd från havet
Man talar ibland om maritimt och kontinentalt klimat. Havstemperaturer ändras långsamt jämfört med landytors. Därför utjämnas temperaturvariationerna över året och dygnet hos exempelvis kustnära orter som Göteborg och Visby om man jämför dem med platser som ligger i inlandet exempelvis Örebro och Växjö.
Mer extrema skillnader ser man vid jämförelse mellan Irlands maritima klimat och det kontinentala klimatet i exempelvis Novosibirsk, Ryssland. Dessa platser ligger ungefär på samma latitud.
Erosion och vegetation
Sett över geologiska tidsåldrar förändrar inte bara plattektoniken jordytan. Vind, strömmande vatten och biogeokemiska processer medför också förändringar. Gamla bergskedjor nöts ner. Vatten för med sig slam som avlagras på sjö och havsbottnar. Generationer av döda växter och djur ansamlas och bildar lager efter lager.